[发明专利]过约束大量程并联六维测力平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种多维力的测量，特别是涉及该领域中有关过约束大量程并联六维力测力平台。 

背景技术

六维力传感器能够测量空间三维力和力矩的大小，在测力信息要求丰富、测力精度要求高的场合如零力示教、轮廓跟踪、双手协调、精密柔性装配、多指灵巧手、机器人力反馈等领域有着广泛的应用前景。近年来，随着航空航天领域的快速发展，能在大加载面上测量大吨位力和力矩的六维测力装置已成为目前急需高科技产品之一。这种测力装置通常称为大量程、大测力板六维测力平台，在推力试验、试飞实验和风洞实验等航空航天领域有着重要的应用。世界各发达国家都非常重视这种测力平台的研制工作，是涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一。 

在多维力的测量领域，目前相关产品多为在较小加载面内测量六维力的传感器。多维力传感器研制的关键是力敏感元件的结构设计，为此人们已提出了一些实现方案，例如，中国专利ZL93224329.0公开了一种具有十字梁结构的六维力传感器，采用一体化结构，具有刚度高、结构紧凑等优点。ZL200810025591.2公开了一种正交串联线弹性体式六维力传感器结构，具有结构简单易于微型化等优点，但以上两种传感器结构均具有一定程度的维间耦合。中国专利ZL99102421.4公开了一种并联解耦结构六维力与力矩传感器，分布在第一平台三个侧面上且相互垂直的六个弹性体分别通过弹性铰链与第一平台和第二平台相连接，力敏感元件是一次加工成型的非组装件，其具有刚度高、结构紧凑等优点，但受到弹性铰链的结构及强度限制，该一体化传感器结构难以实现大量程多维力测量的要求。上述六维力传感器结构较适用于小量程六维力传感器结构，但将其应用于大量程多维力测量，会带来严重的维间耦合等问题，无法满足大吨位、大测力板多维测力的需求。 

中国专利CN101149299公开的一种可以测量大吨位力或力矩的六维力传感器，其利用三维力石英晶片组整体组装来实现六维大力测量，但同样存在着维间耦合严重测量精度不高的问题。专利ZL99102526.1，ZL200710061531.1，ZL200710061521.8分别公开了以预紧式并联结构为弹性体的六维力传感器，其采用球窝锥头式球面副代替传统球铰，并通过中间支路或预紧平台进行整体预紧。该六维力传感器结构消除了球面副的间隙，降低了各球面副的摩擦力矩，具有便于预紧等优点，但测量载荷量程受到所加预紧力的限制，因此难以应用于大吨位六维力传感器结构上。因此到目前为止，高精度大吨位多维力测量的力敏元件仍是急待解决的关键问题之一。 

近年来随着对大量程多维力测量需求的增加，一类能在大的加载面上进行大量程多维力测量的装置，即大量程大测力板多维测力平台成为当前急需的高科技产品之一。实现大测力板多维测力有两种解决方案：一是通过在一个多维力传感器测量头上直接安装测力板实现大加载面的方案；二是通过将测力板与多个一维或多维传感器相连接构建大加载面。第一种方案实现简单，但目前单个多维力传感器难以满足高精度大量程多维测力的需求。第二种方案由于采用多个一维或多维传感器连接测力板与支撑框，非常适合实现大加载面和大量程，因此是研发大吨位、大测力板测力平台的一个很好结构模型。但是由于目前常见结构多采用六分支测力支链连接测力板与支撑框，而限制了这种六分支测力平台的刚度和量程。同时由于现有方案未考虑关节摩擦等因素的影响，因此无论是在量程和测量精度方面都尚未满足实际需求。 

发明内容

为克服大量程六维力传感器现有技术中的上述不足，本发明提供了一种过约束大量程并联六维测力平台，该测力平台具有较高的结构刚度，易于实现大测力板，大量程六维力高精度测量，特别适用于重载测量场合。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：过约束大量程并联六维测力平台由测力板、测力框、支撑框及其若干条测力支链组成。测力框和支撑框通过若干条测力支链相连接，测力支链分布在测力框的五个面上，其中部分测力支链与测力框底面相连接，且支链的中心线垂直于测力台底面，其余测力支链分布于测力框四周与其四个侧面相连接，且中心线分别垂直于相应的侧面。安装在同一面上测力支链的中心线相互平行，安装在相邻面上测力支链的中心 线相互垂直。测力支链由与测力框连接的上球铰、具有偏载输出功能的拉压力传感器和与支撑框连接的下球铰连接构成。测力板、测力支链和支撑框构成过约束空间并联机构。此外，分布在测力框底面和四个侧面上测力支链的数量都可根据被测方向载荷的增大而相应增多，从而提高测力平台的刚度，增大量程范围。同时通过对多测力分支冗余测量信息的观测，提高测量精度。